DE102008029227B4 - Surface structured temperature sensor and method of manufacture - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines zur Messung gasförmiger und flüssiger Medien geeigneten Temperaturfühlers mit einem in einem Mantel (4) angeordneten Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Mantel (4) eine Mikrostruktur (5) einer Tiefe von 20 bis 80 μm mit einer Laserbearbeitung oder mit einem mikrolithografischen Verfahren aufgebracht wird, wobei die Mikrostruktur (5) aus linienförmigen Vertiefungen besteht und die Strukturtiefe der Mikrostruktur (5) kleiner als die Hälfte der Dicke einer sich am Messfühler ausbildenden Strömungsgrenzschicht ist.A method for producing a temperature sensor suitable for measuring gaseous and liquid media with a temperature sensor arranged in a jacket (4), characterized in that a microstructure (5) with a depth of 20 to 80 μm with a laser processing or with a microlithographic process is applied, wherein the microstructure (5) consists of linear depressions and the depth of the microstructure (5) is less than half the thickness of a flow boundary layer forming on the sensor.
Description
Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler zur Messung hoher Temperaturen gasförmiger und/oder flüssiger Medien mit einem temperaturabhängigen Messelement und einem metallischen Fassungsteil, wobei das Fassungsteil mit Prozessanschlussbauteilen verbunden ist und das unteres Ende des Fassungsteiles als Schutzrohr ausgebildet ist und in das zu messende Medium ragt und im Inneren des Fassungsteiles Innenleitungsdrähte verlaufen, die das Messelement mit einem elektrischen Anschluss verbinden und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a temperature sensor for measuring high temperatures of gaseous and / or liquid media with a temperature-dependent measuring element and a metallic socket part, wherein the socket part is connected to process connection components and the lower end of the socket part is designed as a protective tube and projects into the medium to be measured and in Inside the socket part inner conductor wires run, which connect the measuring element with an electrical connection and a method for its preparation.
Die Erfindung ist für den Einsatz in technischen Prozessen mit hohen Temperaturen, vorzugsweise in Abgastemperatursträngen von Hochleistungsmotoren oder in Verdichter- oder Diffusoraggregaten von Gasturbinen, geeignet.The invention is suitable for use in industrial processes with high temperatures, preferably in exhaust gas temperature strands of high-performance engines or in compressor or diffuser units of gas turbines.
Als Temperatursensoren können Messwiderstände oder Thermoelemente verwendet werden. Vorwiegend sind sie als Thermoelemente ausgebildet. Derartige Temperaturfühler zeichnen sich durch eine günstige Thermometerdynamik, d. h. durch niedrige T50- und T90-Zeitprozentkennwerte aus.As temperature sensors measuring resistors or thermocouples can be used. Mostly they are designed as thermocouples. Such temperature sensors are characterized by favorable thermometer dynamics, ie by low T 50 and T 90-time percentage characteristics.
Die
In
Nach
Ferner ist aus
Nachteilig sind bei den beschriebenen Anordnungen neben der aufwendigen und damit kostenintensiven Herstellung auch, dass jeweils nur einzelnen der auftretenden Belastungen begegnet wird, so dass die Ursachen für Messfehler und Funktionsstörungen messtechnischer, elektrischer oder mechanischer Art nicht generell beseitigt werden. Insbesondere wird die obere Einsatztemperaturgrenze nicht erreicht, auch wenn die messdynamischen und statisch-thermischen Anforderungen erfüllt sind.A disadvantage of the arrangements described in addition to the complex and therefore costly production also that only each of the occurring loads is met, so that the causes of measurement errors and malfunctions metrological, electrical or mechanical nature are not generally eliminated. In particular, the upper service temperature limit is not reached, even if the dynamic and static thermal requirements are met.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen optimale messdynamische und statisch-thermische Eigenschaften auch bei hohen Einsatztemperaturen erreichbar sind. Ferner soll der Temperaturfühler lange Standzeiten ermöglichen.The invention has for its object to provide a method and an apparatus of the type mentioned, in which optimal measuring dynamic and static-thermal properties can be achieved even at high operating temperatures. Furthermore, the temperature sensor should allow long service life.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.According to the invention the object is achieved with a method which has the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Der erfindungsgemäße Temperaturfühler verfügt über einen metallischen Mantel, welcher im Bereich des Temperatursensors mit einer Mikrostruktur versehen ist.Advantageous embodiments are specified in the subclaims. The temperature sensor according to the invention has a metallic shell, which is provided in the region of the temperature sensor with a microstructure.
Vorzugsweise befindet sich die Mikrostruktur im Bereich des verformten Mantelteils.Preferably, the microstructure is in the region of the deformed shell part.
Die Mikrostruktur kann als Längsraster parallel zur Schutzrohrachse oder als Kreuzraster ausgebildet sein.The microstructure can be designed as a longitudinal grid parallel to the protective tube axis or as a cross grid.
Ferner kann die Mikrostruktur als einfaches oder gegenläufiges Schraubenraster ausgebildet sein.Furthermore, the microstructure may be formed as a simple or opposite screw grid.
Die Mikrostruktur hat vorzugsweise ein Tiefen-/Breitenverhältnis von 1:1, bei einer Tiefe und einer Breite von 20...80 μm bei Schutzrohrdurchmessern von 2...4,5 mm. Damit gelingt es, die Wärmeübertragung und damit auch das Ansprechverhalten gegenüber bekannten Anordnungen zu verbessern.The microstructure preferably has a depth / width ratio of 1: 1 at a depth and a width of 20 ... 80 μm Protection tube diameters of 2 ... 4.5 mm. This makes it possible to improve the heat transfer and thus the response to known arrangements.
Wie in Wagner: Wärmeübertragung, Vogel Buchverlag, 5. Auflage, S. 64 ff, beschrieben, verändern sich beim Vorbeiströmen eines Fluids an einem Köper die Strömungsverhältnisse in der Nähe des Körpers und es entsteht eine so genannte Strömungsgrenzschicht. Es ist vorteilhaft, die Strukturtiefe und/oder die Strukturbreite der Mikrostruktur kleiner auszubilden als die sich am Messfühler ausbildende Strömungsgrenzschicht des zu messenden strömenden Mediums.As described in Wagner: Heat Transfer, Vogel Buchverlag, 5th edition, p. 64 et seq., The flow conditions in the vicinity of the body change as fluid flows past a body, creating a so-called flow boundary layer. It is advantageous to make the structure depth and / or the structure width of the microstructure smaller than the flow boundary layer of the flowing medium to be formed on the sensor.
Zweckmäßig ist es, dass sich an die Mikrostruktur im vorderen Teil des Schutzrohres eine kugelförmig abgestumpfte Spitze anschließt.It is expedient that adjoins the microstructure in the front part of the protective tube a spherical blunt tip.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Mikrostruktur mit einer dünnen Zusatzschicht versehen ist. Die Zusatzschicht besteht vorzugsweise aus Bariumnitrid oder aus einer Karbidschicht. Sie verhindert die Korrosion und Verschmutzung des Schutzrohres und gewährleistet damit, dass das verbesserte Ansprechverhalten über die Lebensdauer des Temperaturfühlers erhalten bleibt.An advantageous embodiment provides that the microstructure is provided with a thin additional layer. The additional layer is preferably made of barium nitride or of a carbide layer. It prevents corrosion and fouling of the thermowell, thereby ensuring that the improved response is maintained over the life of the thermistor.
Vorteilhaft weist die Zusatzschicht der Mikrostruktur eine Schichtstärke von 10...20 nm auf.Advantageously, the additional layer of the microstructure has a layer thickness of 10... 20 nm.
Ferner ist es möglich, dass die Schicht der Mikrostruktur eine Relevanz zur Wellenlänge der Wärmestrahlung besitzt, d. h. die Farbe beeinflusst im Bereich der Wärmestrahlung die Absorption- und Reflexionseigenschaften der Schutzrohrspitze.Furthermore, it is possible that the layer of the microstructure has a relevance to the wavelength of the heat radiation, i. H. In the area of thermal radiation, the color influences the absorption and reflection properties of the protective tube tip.
Insbesondere ist die Mikrostruktur so ausgeführt, dass die aufgebrachte farbrelevante Schicht bei hohen Temperaturen einen hohen Reflexionsgrad besitzt.In particular, the microstructure is designed so that the applied color-relevant layer has a high reflectance at high temperatures.
Die Mikrostruktur befindet sich bei einer vorteilhaften Ausführung auf einem konisch verformten Schutzrohrteil mit sechskantförmigen oder runden Querschnitt. Die Verformung kann mehrfach erfolgt sein.The microstructure is in an advantageous embodiment on a conically shaped protective tube part with hexagonal or round cross-section. The deformation can be done several times.
Die Mikrostruktur kann lasertechnisch oder mikrolithografisch hergestellt werden.The microstructure can be produced by laser technology or microlithography.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Mikrostruktur durch eine Energiepulsung behandelt wird. Damit kann eine Reinigung von Oxidbestandteilen sowie eine rissfreie Oberfläche erzeugt werden.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the microstructure is treated by an energy pulse. Thus, a cleaning of oxide constituents and a crack-free surface can be generated.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden eine günstige t90-Zeit bei relativ dicken Schutzrohrwandungen sowie eine hohe Langzeitstabilität bei hohen Temperaturen und Strömungsbelastungen erreicht.With the arrangement according to the invention, a favorable t 90 time is achieved with relatively thick protective tube walls as well as a high long-term stability at high temperatures and flow loads.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:In the accompanying drawings show:
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Abschlusskegeldegree cone
- 22
- vordere Verjüngunganterior rejuvenation
- 33
- MessspitzeProbe
- 44
- Mantelcoat
- 55
- Mikrostrukturmicrostructure
- 66
- MantelthermoelementSheathed thermocouple
- 77
- freie Drahtendenfree wire ends
- 88th
- verstellbare Verschraubungadjustable screw connection
- 99
- ZusatzschutzrohrAdditional protective tube
- 1010
- sechskantförmige Verformunghexagonal deformation
- 1111
- Bund mit ÜberwurfWaistband with wrap
- 1212
- Beschichtungcoating
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Effective date: 20130223 |
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